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超硬数控车刀(PCD,CBN)

更新时间:2010-07-24 09:25:00 信息编号:103121
超硬数控车刀(PCD,CBN)
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聚精金刚石刀具性能

          金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中,碳原子的四个价电子按四面体结构成键,每个碳原子与四个相邻原子形成共价键,进而组成金刚石结构,该结构的结合力和方向性很强,从而使金刚石具有极高硬度。

  一:pcd刀具材料的主要性能指标

   ①pcd的硬度可达8000hv,为硬质合金的80~120倍;②pcd的导热系数为700w/mk,为硬质合金的1.5~9倍,甚至高于pcbn和铜,因此pcd刀具热量传递迅速;③pcd的摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此pcd刀具可显著减小切削力;④pcd的热膨胀系数仅为0.9×10 6~1.18×10 -6,仅相当于硬质合金的1/5,因此pcd刀具热变形小,加工精度高;⑤pcd刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。

国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国的 beers公司、美国ge公司、日本住友电工株式会社等。国内从事pcd刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、河南大阳,南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前,pcd刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。

二:pcd刀具的制造过程

   主要包括两个阶段:①pcd复合片的制造:pcd复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂(其中含钴、镍等金属)按一定比例在高温(1000~2000℃)、高压(5~10万个大气压)下烧结而成

②pcd刀片的加工:pcd刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤。

焊接温度的控制十分重要,如焊接温度过低,则焊接强度不够;如焊接温度过高,pcd容易石墨化,并可能导致“过烧”,影响pcd复合片与硬质合金基体的结合。在实际加工过程中,可根据保温时间和pcd变红的深浅程度来控制焊接温度(一般应低于700℃)。国外的高频焊接多采用自动焊接工艺,焊接效率高、质量好,可实现连续生产;国内则多采用手工焊接,生产效率较低,质量也不够理想。

三:pcd粒度的选择

   他的选择与刀具加工条件有关,如设计用于精加工或超精加工的刀具时,应选用强度高、韧性好、抗冲击性能好、细晶粒的pcd。粗晶粒pcd刀具则可用于一般的粗加工。

四:后角大小的影响

   后刀面对加工质量有明显影响,较小的后角、较高的后刀面质量对于提高pcd刀具的加工质量可起到重要作用。

pcd复合片与刀杆的连接方式包括机械夹固、焊接、可转位等多种方式

五:金刚石pcd刀具的加工对象:

金刚石“pcd”刀片专业用于铜、铝、铝合金、硬质合金等有色金属以及非金属高硬度耐磨材料(如工程塑料)的精加工。具有使用寿命长、生产效率高、加工表面光洁度高、加工精度高等特点。比硬质合金及天然金刚石刀具加工效率高而成本低,广泛应用于汽车、柴油机、摩托车、航天航空、家电、仪器精密机械等行业。

立方氮化硼的性质以及切削参数

   立方氮化硼(cbn)是上世纪70年代初发明的一种新型刀具材料,国外应用相当普及,特别适用于切削难加工材料,效果不错,我国还处于起步阶段,在汽车、轴承、工具等领域的应用刚刚开始,随着世界制造技术向中国内地转移,数控技术和微电子技术的飞快发展,高效率、高质量、高精度切削加工日趋成熟,对cbn刀具需求量大幅提升,认识和了解cbn并应用于实践是大势所趋。

1 立方氮化硼刀具的主要性能特点
1.1 很高的硬度和耐磨性
  cbn晶体结构与金刚石相似,同属面心立方晶系,不仅晶格常数相近,且晶体中化学键的类型也相同,因此具有与金刚石相近的硬度。cbn微粉的显微硬度为8000~9000hv,聚晶立方氮化硼(pcbn)烧结体的硬度达到3000~5000hv。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的50倍,为涂层硬质合金刀具的30倍,为陶瓷刀具的25倍。pcbn特别适用于以前只能磨加工的高硬度材料,能获得较好的表面粗糙度,实现“以车代磨”。从而可以消除“磨退火”弊病,并简化工艺,大幅度节约工时,增加经济效益。
1.2 较高的热稳定性
  cbn的耐热性达到1400~1500℃,比金刚石的耐热性(700~800℃)几乎高1倍。cbn在1370℃以上由立方晶体变为六方晶体而开始软化。pcbn在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的室温硬度。因此pcbn刀具可用比硬质合金刀具高3~5倍的速度切削高温合金和淬硬钢。
1.3 优良的化学稳定性
  cbn是化学惰性特别大的物质,在中性的、还原性的气体介质中,对酸和碱都是稳定的,在大气和水蒸气中,900℃以下无任何反应,且稳定。与铁系材料到1200~1300℃时也不发生化学作用,与碳在2000℃时才起反应。实践证明,cbn与各种材料的粘接和扩散作用比硬质合金小得多。cbn具有很高的抗氧化能力,在1000℃时也不会产生氧化现象。因此,pcbn刀具很适合切削淬火过的零件和冷硬铸铁。
  但是,cbn在1000℃以上会与水起化学反应,因此湿切削时要选择好切削液,最好使用干切削。
1.4 良好的热导性
  cbn的热导性虽然赶不上金刚石,但是在各类刀具材料中pcbn的热导性仅次于金刚石,大大高于高速钢和硬质合金。热导率高可使刀尖温度下降快,减少刀具的磨损,有利于加工精度的提高。
1.5 较低的摩擦系数
  cbn与不同材料间的摩擦系数约为0.1~0.3,比硬质合金的摩擦系数(0.4~0.6)小得多。随着切削温度的提高,摩擦系数减少。低的摩擦系数可使切削力减少,切削温度降低,被加工表面质量提高。
  cbn刀具有很多优点,但也有软肋,如脆性大,强度及韧性较差,我们要扬长避短,充分发挥其效能。

2 立方氮化硼刀具在切削加工中的应用实例
2.1 高速、高精度加工模具用cbn立铣刀
  近年来,加工中心机床的高速化极大地促进了模具加工的高速化。早期,高速钢立铣刀是模具加工的主流刀具,当机床主轴超过1万转后,涂层硬质合金立铣刀成为主流加工刀具;如今,主轴最高转数达4~6万转的加工中心机床开始普及使用,cbn立铣刀就成为模具加工的主流刀具了。
  日本佳友电工超硬材料公司与不二越工具公司首次合作,开发了转速超过2万转/min的高速铣削的cbn球头立铣刀,刀具直径φ0.4~20mm,共10种规格。该铣刀的使用寿命是同规格硬质合金球头的立铣刀的4倍以上,价格为2.43~2.55万日元。2006年两个公司的刀具销售额高达1亿日元。今后随着模具高效加工的需求不断增加以及每分钟2~2.5万转高性能高速机床的普及使用,对cbn刀具需求量会快速增加[1]。
2.2 用pcbn刀片精车淬硬钢
  采用pcbn刀片精车硬度高于45hrc的淬硬钢工件,可取得很好的加工效果。精车时的切削速度一般为80~120m/min,若工件的硬度较高时宜取低值;如车削硬度为70hrc的工件(如粉末高速钢)时其车削速度一般取60~80m/min。精车时选择切深为0.10~0.30mm,进给量为0.05~0.025mm/r,精车后的表面粗糙度可达ra0.3~0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。由于pcbn刀具的刚性好且刀口锋利,若能在刚性好的标准数控车床或车削加工中心上使用,则精车后工件表面的粗糙度可达ra0.3μm以下,尺寸精度可达0.01mm,达到数控磨床的加工水平。
  精车时一般不用冷却液,因为在较高的切削速度下,大量的切削热被切屑带走。精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片,刀尖半径为0.8~1.2mm,为保护刀具刀口,提高刀具耐用度,使用前应用细油石倒棱。
2.3 用pcbn刀具加工铸铁
  在现代切削加工中,灰铸铁由于其内部结构的特性原因,一直是切削加工中的难题。如果切削刀具选用不当,切削工艺不正确,不但切削费用高,原材料浪费大,且生产效率低,产品质量差。针对这种情况,美国通用电气公司(ge)经过多次实验和应用实践,证明pcbn刀具是加工灰铸铁的理想刀具[2]。
  采用pcbn刀具车削灰铸铁时,许多可变因素如切削参数、刀具几何形状、机床性能及工件材料都会影响车削加工的效果。以下仅举车削参数为例。
  pcbn车刀在加工灰铸铁时,其切削用量的正确选择是加工中非常重要的一环,实践证明,其切削速度选择在600~1200m/min范围内,进给量应在1.52~10.16mm之间,吃刀量(doc)应在0.12~2.54mm区间。如果偏离这个范围加工,则会出现刀具使用寿命缩短,加工精度降低和表面质量差等问题。在切削速度、进给量和切刀量三个因素中,切削速度是最主要的因素。ge公司的经验表明,按照推荐的参数进行车削时,刀具的磨损量是随着切削速度的增加而降低,也就是说切削速度的快慢直接影响刀具的磨损程度。
  为了解决pcbn刀具在切削中的磨损问题,ge公司在试验中发现,刀具的氧化磨损与切削时间和切削温度有关,只有将切削温度和切屑接触区降至最低程度,才能消除或降低刀具氧化磨损问题。
2.4 用pcbn刀具精密切削gcr15淬硬钢
  按照传统工艺,精磨往往是淬硬轴承钢常用机械加工方法,随着数控机床等加工设备精度的提高及pcbn刀具的成功应用,以车代磨完成精加工已成为加工淬硬轴承钢的新途径。
  由于pcbn刀具材料脆性大,因此使用前一般都要进行倒圆(r200~400μm)和倒棱处理。在切削过程中,由于切削深度和进给量均很小,大钝圆和负倒棱实际上成为刀具主要参与切削的部分。
  用pcbn刀具连续切削淬硬轴承钢时,常用切削速度为90~200m/min,进给量为0.05~0.20mm/r,切削深度为0.10~0.50mm,所需的切削功率并不大,但刀具所承受的冲击力却是普通切削的3倍以上[3],单位切削力高达5000mpa。
2.5 机夹pcbn可转位刀片面铣刀端铣加工cr12mov钢模具
  cr12mov钢模具经淬火回火后硬度为60~62hrc,机夹pcbn可转位刀片端面铣刀切削参数为:主轴转速110m/min,进给量0.40mm/r,铣深0.2~0.3mm,铣削表面粗糙度ra0.4~0.8μm,实现了以铣代磨,工效提高5倍以上。
2.6  cbn铰刀铰削淬硬钢
  在经调质的刀体上镶cbn刀刃的铰刀,用这种铰刀在c620-3车床上加工硬度为60~63hrc的gcr15钢环和硬度为62~64hrc m2钢轴套上铰孔,在转速30~130m/min,进给量0.07~0.20mm/r,铰深0.1~0.4mm时,都能获得满意的效果,且没有振动和切削刃严重磨损的情况,表面粗糙度可达ra0.2μm。




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